DE102007017704B4

DE102007017704B4 - Injektor und Verfahren zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt

Info

Publication number: DE102007017704B4
Application number: DE102007017704A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Kowalik; Ludger Tacke; Uwe Schwenzow
Original assignee: GEA TDS GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2007-04-14
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2027-04-15
Also published as: DE102007017704A1; EP1980152B1; EP1980152A1; DK1980152T3; EP1980152B8

Abstract

Injektor zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt, insbesondere ein Nahrungsmittel oder Getränk, bei dem der dampfförmige Wärmeträger (D) das flüssige Produkt (P) zur Bildung eines keimfreien Produkts erhitzt und bei dem das Strömen des dampfförmigen Wärmeträgers (D) durch Druckabfall hervorgerufen wird, der durch die Geschwindigkeit des flüssigen Produkts (P) entsteht, mit einem Injektorgehäuse (6), das einen ersten Einlass (6.3) für das flüssige Produkt (P) und einen zweiten Einlass (6.4) für den dampfförmigen Wärmeträger (D) aufweist, mit einem im Injektorgehäuse (6) einen Auslass (6.6) aufweisenden ersten Beaufschlagungsraum (2), der eintrittsseitig düsenförmig ausgebildet und mit dem ersten Einlass (6.3) verbunden ist, mit einem ringförmigen Mischraum (2.4), der Teil des ersten Beaufschlagungsraumes (2) ist und der zwischen einem rotationssymmetrischen, in axialer Richtung verschieblichen Verdrängerkörper (5.1) einerseits und einem letzteren umschließenden ringförmigen inneren Gehäuse (7) andererseits gebildet wird, und mit einem zwischen dem inneren Gehäuse (7) und dem dieses umschließenden...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt, insbesondere ein Nahrungsmittel oder Getränk, bei dem der dampfförmige Wärmeträger das flüssige Produkt zur Bildung eines keimfreien Produkts erhitzt und bei dem das Strömen des dampfförmigen Wärmeträgers durch Druckabfall hervorgerufen wird, der durch die Geschwindigkeit des flüssigen Produkts entsteht, sowie mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Nebenanspruchs 11.
STAND DER TECHNIK
Im Hinblick auf die Wärmebehandlung eines flüssigen Produkts der vorg. Art kann qualitativ einwandfreier Wasserdampf von Trinkwasserqualität, vorzugsweise sog. kulinarischer Wasserdampf im Sättigungszustand, verwendet werden, um das flüssige Produkt schnell und effizient zu erwärmen. Eines der zum direkten Injizieren von Dampf in das flüssige Produkt angewendeten Verfahren besteht in der Verwendung eines Injektors.
In Abhängigkeit von der Temperatur, auf die das flüssige Produkt erwärmt werden soll, ist es möglich, ein pasteurisiertes oder aseptisches Produkt oder als Alternative ein Produkt, das eine verlängerte Haltbarkeit bei Kaltlagerung besitzt, zu erhalten. Das gebräuchlichste Verfahren besteht darin, das Produkt, bei dem es sich zum Beispiel um Molkereiprodukte, Säfte, viskose Fruchtprodukte oder dergleichen handelt, auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der eine völlige Zerstörung vegetativer Mikroorganismen erreicht wird. Dadurch wird ein Lebensmittelprodukt erhalten, das bei Lagerung bei Raumtemperatur stabil bleibt. Es ist keine ununterbrochene Kühlkette über den Zeitraum der Lagerung erforderlich, was insbesondere in Ländern mit nicht hinreichender Kühlketten-Infrastruktur von Vorteil sein kann.
Die Direkterhitzung mit Dampf wird beispielsweise bei der Milcherhitzung angewendet (sog. UHT-Milch oder ESL-Milch). Die Direkterhitzung steht hier in Konkurrenz zu dem vorg. erwähnten indirekten Erhitzungsverfahren mittels beispielsweise Rohrbündel-Wärmeaustauscher. Für die Herstellung der UHT-Milch werden als Erhitzungstemperatur beispielsweise 150°C und als Einwirkungsdauer 2,4 Sekunden angegeben (s. H. G. KESSLER, Lebensmittel-Verfahrenstechnik, Schwerpunkt Molkereitechnologie, 1976, München – Weihenstephan, Verlag: A. Kessler, Postfach 1721, 8050 Freising, Seite 154–155). Die Milch durchläuft einen Vor- und Nachwärmer, wird mit ca. 70–80°C durch eine Pumpe auf den für die UHT-Erhitzung notwendigen Druck (150°C entsprechend 4,76 bar) gebracht und in der Mischkammer mit Wasserdampf intensiv vermengt. Der Wasserdampf kondensiert sofort in der Milch, indem er seine Verdampfungsenthalpie abgibt und die Milch aufheizt. Die Dampfmenge muss so bemessen sein, dass unmittelbar nach der Durchmischung die Milch und das in ihr enthaltene Kondensat auf Sterilisationstemperatur aufgeheizt sind. Anschließend durchströmt das Gemisch eine Haltestrecke (2 bis 4 Sekunden), die tangential in ein Vakuumgefäß einmündet. Unmittelbar an der Einmündung sitzt ein einstellbares Druckhalteventil, das den der Sterilisationstemperatur entsprechenden Sattdampfdruck im Halterohr aufrechterhält. Danach expandiert das unter Druck stehende heiße Gemisch, wodurch spontan Abkühlung durch Verdampfen eintritt. Dabei ist das Vakuum so bemessen, dass exakt die gleiche Menge verdampft, die als Frischdampf vorher zugeführt wurde. Der Entspannungsdampf wird zur Vorwärmung der ankommenden Milch benutzt, während die Milch eine aseptische Linie – Pumpe, Homogenisator, Kühler und evtl. Lagertank – zur aseptischen Verpackung durchläuft.
Durch Injizieren von Dampf in das flüssige Produkt wird dieses unmittelbar, schnell und effizient erwärmt. Infolge dieses schnellen Verfahrens kann die Behandlungszeit verringert werden, was insgesamt zu einer verringerten Wärmeeinwirkung auf das Produkt führt und wodurch ein Produkt erhalten wird, das vor allem im Hinblick auf den Geschmack ein höheres Qualitätsniveau behält. Die schnelle und schonende Wärmebehandlung beim direkten Erwärmungsverfahren wird um den Preis eines höheren Energieaufwandes gegenüber dem indirekten Erwärmungsverfahren erkauft. Daher ist man bestrebt, die Wärmeübergangsbedingungen beim direkten Verfahren der in Rede stehenden Art weiter zu verbessern, was dann zwangsläufig zu einer geringeren erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen dampfförmigem Wärmeträger und dem zu erwärmenden Produkt führt und damit die schonende Behandlung des Produkts weiter begünstigt.
Der grundlegende Aufbau eines Injektors der einleitend gekennzeichneten Art ist in der US 1 803 054 A beschrieben. Er dient der Erwärmung von Kesselspeisewasser mittels Wasserdampf in Dampfkraftanlagen, und er besitzt daher keine spezielle Eignung zur Erzeugung und Behandlung keimfreier flüssiger Produkte im Bereich der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie. Die Beimischung des Wasserdampfes in das Kesselspeisewasser erfolgt beispielsweise in drei aufeinander folgenden Stufen, wobei in jeder Stufe mehrere Ringdüsen, in Strömungsrichtung des Kesselspeisewassers gesehen, im Abstand hintereinander angeordnet sind, die einen ringförmigen Strom des Kesselspeisewassers umschließen und jeweils vom Wasserdampf aus einem zugeordneten Beaufschlagungsraum versorgt werden. Der Wasserdampf dringt radial außenseits in den Strom des Kesselspeisewassers ein, und er hat eine axiale Strömungskomponente, die in Strömungsrichtung des Kesselspeisewassers orientiert ist. Der ringförmige Strom des Kesselspeisewassers wird radial innenseits von einem in axialer Richtung verstellbaren, beispielsweise durch alle Stufen hindurchgreifenden Verdrängerkörper begrenzt, wobei sich der Durchtrittsquerschnitt zwischen Verdrängerkörper und den diesen umschließenden Ringdüsen, in Strömungsrichtung des Kesselspeisewassers gesehen und in jeder der Stufen, kontinuierlich vergrößert.
Aus der US 4 725 203 A ist ein Injektor bekannt, bei dem eine einen zentralen, axial verstellbaren Verdrängerkörper ringförmig umströmende flüssige Phase eines Stoffes von radial außenseits über eine die flüssige Phase umschließende einzige Ringdüse mittels einer gasförmigen Phase eines anderen Stoffes beaufschlagt wird.
Aus der WO 2004/075670 A1 ist ein Dampfinjektor bekannt, welcher in einem Injektorgehäuse einen Einlass für Dampf, einen Einlass ein für Produkt und einen Auslass für das Produkt aufweist. In diesem Injektor wird das flüssige Produkt, beispielsweise flüssige oder pumpbare Lebensmittel, über eine Ringdüse einem Mischraum in Form eines gebündelten Freistrahles mit Kernströmung zugeführt. Der Dampf als Wärmeträger wird gleichfalls über eine Ringdüse, die die Ringdüse für das Produkt konzentrisch umschließt, in Form eines ringförmigen Freistrahles in den Mischraum ausgebracht und dem Produktstrahl von außen zugeführt. In dem Mischraum werden der Dampf und das Produkt miteinander vermischt. Das Gemisch verlässt den Mischraum und passiert dabei eine Drosselscheibe, die unmittelbar hinter dem Auslass des Mischraumes angeordnet ist.
In der EP 1 353 745 B1 ist ein verstellbarer Dampfinjektor beschrieben, der in einem Injektorgehäuse einen Einlass für ein Produkt, einen Auslass für das Produkt und einen Dampfeinlass aufweist. Der Injektor enthält weiterhin ein dickwandiges Rohr, das in dem Injektorgehäuse angeordnet ist und eine Vielzahl von durchgehenden Löchern aufweist, die im Wesentlichen radiale Kanäle bilden. In dem dickwandigen Rohr ist ein Produktrohr angeordnet, das in Längsrichtung des Rohrs stufenlos verschiebbar ist. Der Injektor ist vorzugsweise geeignet für die Wärmebehandlung einer Flüssigkeit oder von pumpbaren Lebensmitteln hoher Viskosität. Die Wirkung dieses bekannten Dampfinjektors beruht darauf, dass dem Produkt in der Ausformung einer Rohrströmung über eine Vielzahl von Dampfeintrittsöffnungen gleichzeitig, radial von außen, über den gesamten Umfang und über eine von dem axial verschieblichen Produktrohr bestimmte jeweilige Länge des perforierten dickwandigen Rohres Dampf zugeführt wird.
Aus der EP 0584 162 B1 ist ein Apparat zum aseptischen Herstellen von Getränken bekannt, wobei es sich speziell um die Rückverdünnung von Getränken handelt und der Apparat eine sich in axialer Richtung verjüngende ringförmige Mischkammer mit veränderlichem Volumen aufweist. Die Mischkammer wird von einem wärmeabgebenden Wasserstrom durchsetzt, dem im Bereich des Eintritts der Mischkammer eine zweite Flüssigkeit, beispielsweise Getränkesirup, zugemischt wird. Die Zumischung erfolgt über den Umfang der ringförmigen Mischkammer, und zwar radial von außen.
Die DE 195 02 539 C2 beschreibt einen Injektor zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in eine zu erwärmende Flüssigkeit. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um Wasser, das bei der Heißwasserbereitung oder bei der Erzeugung von Warmwasser zu Heizzwecken mittels Dampf erwärmt wird. Der Injektor weist eine Mischkammer mit einer Ausströmöffnung auf. Der dampfförmige Wärmeträger beaufschlagt eine Ringdüse, die über eine ringspaltförmige Austrittsöffnung in die Mischkammer in deren Längsrichtung einmündet. Die Mischkammer weist dabei wenigstens einen ringförmig ausgebildeten, radial durch eine Innenwandung und eine Außenwandung begrenzten Abschnitt auf. Die zu erwärmende Flüssigkeit beaufschlagt eine ringförmige Einströmöffnung, die vorzugsweise als ringförmige, koaxial zu der Ringdüse angeordnete Öffnung mit radialer Öffnungsrichtung ausgebildet ist, die von außen in die Mischkammer einmündet und in Bezug auf die von der Ringdüse definierte Durchströmungsrichtung nach der Austrittsöffnung der Ringdüse angeordnet ist. Durch die Ringdüse wird der dampfförmige Wärmeträger axial in die Mischkammer eingelassen, wobei er im Bereich vor der Austrittsöffnung einen Sog (Druckabfall) erzeugt, der die zu erwärmende Flüssigkeit aus der Einströmöffnung ansaugt. In der Mischkammer vermischt sich der dampfförmige Wärmeträger intensiv mit der zu erwärmenden Flüssigkeit.
Besonders gute Ergebnisse werden mit dem bekannten Injektor erzielt, wenn zwischen der von der Ringdüse definierten Dampfströmungsrichtung und der von der Einströmöffnung definierten Einströmrichtung ein im Wesentlichen rechter Winkel eingeschlossen wird. Dies ist der Fall, wenn die Ringdüse eine im Wesentlichen axiale Öffnungsrichtung und die Einströmöffnung eine im Wesentlichen radiale Öffnungsrichtung aufweisen.
Aus der EP 0 822 338 B1 sind Dampfinjektoren bekannt, die der Erwärmung von Wasser dienen, das insbesondere in einem Wasserzufuhrsystem in einem Notfall-Kernkühlsystem, wie z. B. in einem Leichtwasserreaktor, verwendet wird. Die Dampfinjektoren entsprechen in Bezug auf die Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen dem Dampfinjektor gemäß DE 195 02 539 C2 , d. h. der dampfförmige Wärmeträger fungiert als axial orientierter Treibstrahl und saugt die zu erwärmende radial Flüssigkeit an.
Die Mischkammer ist offensichtlich allenfalls in ihrem Eintrittsbereich ringförmig ausgebildet (1). Der Dampfinjektor in seiner Ausführungsform gemäß 5 entspricht in Aufbau und Funktion dem Dampfinjektor gemäß der eingangs erwähnten WO 2004/075670 A1 .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor und ein mit diesem durchführbares Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit denen die Erhitzung auf die erforderliche Temperatur einerseits effizient, andererseits aber schonend, d. h. mit geringstmöglicher Temperaturdifferenz zwischen dem dampfförmigen Wärmeträger und dem zu erhitzenden flüssigen Produkt erfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein mit dem erfindungsgemäßen Injektor durchführbares Verfahren ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 11 gekennzeichnet.
Der erfinderische Lösungsgedanke basiert auf einem dem Anmeldungsgegenstand nächstkommender Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der US 1 803 054 A bekannt ist. Bei diesem bekannten Injektor bildet das flüssige Produkt den Treibstrahl aus, und es ist ein ringförmiger Mischraum mit einstellbarem Volumen vorgesehen, dem der anzusaugende dampfförmige Wärmeträger über Ringdüsen zugeführt wird, die jeweils über eine ringspaltförmige Austrittsöffnung radial von außen in den Mischraum einmünden. Die Funktion des Treibstrahls erhält das flüssige Produkt dadurch, dass in ihm ein Druckabfall durch lokale Geschwindigkeitserhöhung erzeugt wird, wobei im Bereich dieses Druckabfalls die Einleitungsstelle für den dampfförmigen Wärmeträger vorgesehen ist.
Während bei anderen bekannten Injektoren der weiter oben beschriebenen Art der dampfförmige Wärmeträger als zentraler ringförmiger Treibstrahl ausgebildet ist und mit hoher kinetischer Energie das zu erwärmende Wasser ansaugt und sich mit diesem in dem anschließenden ringförmigen Mischraum vermischt, saugt beim anmeldungsgemäßen Injektor das zu erwärmende flüssige Produkt als zentraler ringförmiger Treibstrahl mit wesentlich moderaterer Geschwindigkeit und entsprechend geringerer kinetischer Energie den dampfförmigen Wärmeträger an, um sich mit diesem dann in dem sich anschließenden ringförmigen Mischraum zu vermischen. Die anmeldungsgemäße Konstellation bewirkt eine deutlich schonendere Behandlung der flüssigen Phase, des Produkts, wie es von der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe gefordert wird.
Die Leistungsfähigkeit des Injektors gemäß der Erfindung (beispielsweise höherer Durchsatz bei kürzerer Verweilzeit) lässt sich bekanntlich gegenüber einer Anordnung mit einer einzigen Ringdüse dadurch steigern, dass mehr als eine Ringdüse vorgesehen ist, die, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, im Abstand hintereinander angeordnet, jeweils vom dampfförmigen Wärmeträger beaufschlagbar, im oder am inneren Gehäuse ausgebildet und mit dem zweiten Beaufschlagungsraum verbunden sind und die jeweils über eine ringspaltförmige Austrittsöffnung von der Seite des umschließenden inneren Gehäuses unter einem Neigungswinkel gleichsinnig zur Strömungsrichtung des flüssigen Produkts in den Mischraum einmünden. Durch dieses parallele Einleiten des dampfförmigen Wärmeträgers an mehr als einer Stelle im Verlauf des Strömungsweges des zu einer Ringspaltströmung geringer radialer Erstreckung ausgeprägten flüssigen Produkts wird die Aufnahmefähigkeit der flüssigen Phase für die dampfförmige Phase im Sinne der Aufgabenstellung, nämlich eine effiziente und gleichsam schonende Erwärmung durchzuführen, voll ausgeschöpft, ohne dass es hierzu einer energetischen Intensivierung des Vorganges, in der Regel befördert durch eine größere treibende Temperaturdifferenz zwischen dampfförmigem Wärmeträger und zu erwärmendem flüssigem Produkt, bedarf.
Die Effizienz des Erwärmungsvorganges, die sich durch eine geringstmögliche Temperaturdifferenz zwischen dampfförmigem Wärmeträger und zu erwärmendem flüssigem Produkt zeigt, wird dadurch gesteigert, dass in an sich bekannter Weise die ringspaltförmige Austrittsöffnung unter dem Neigungswinkel in den Mischraum einmündet, wobei der Neigungswinkel gegen die Senkrechte auf die Längsachse des Mischraumes gemessen wird und gemäß einer sich als beson ders effizient herausgestellten Ausgestaltung für den Neigungswinkel ein Wert im Bereich 30 bis 45 Grad, bevorzugt ein Wert von 35 Grad vorgesehen ist. Damit hat eine Komponente der Geschwindigkeit des Stromes des dampfförmigen Wärmeträgers die gleiche Orientierung wie die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts, so dass der Produktfluss durch den dampfförmigen Wärmeträger unterstützt wird und die Gefahr der Strömungsblockaden durch Dampfblasen im ringförmigen Mischraum vermindert ist.
Der grundlegende erfinderische Lösungsgedanke beim erfindungsgemäßen Injektor manifestiert sich in einer Verbesserung seiner Treibstrahlausbildung, die darin besteht, dass zur üblichen düsenartigen Verengung des ersten Beaufschlagungsraumes für das flüssige Produkt, und zwar am stromabwärtsseitigen Ende der Düse, zusätzlich Vorkehrungen getroffen werden, die eine planmäßige, definierte und verstärkt ausgeprägte Einschnürung des ringförmigen, durch das flüssige Produkt gebildeten Treibstrahles und einen damit verbundenen zusätzlichen Druckabfall erzeugen. Diese Vorkehrungen bestehen darin, dass am inneren Gehäuse, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, unmittelbar vor der jeweiligen ringspaltförmigen Austrittsöffnung jeweils eine ringförmige Nase ausgebildet ist, die an der jeweiligen Stelle einen Durchtrittsquerschnitt des Mischraumes radial außenseits derart einschnürt, dass dieser, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, gegenüber dem jeweils vorgeordneten Durchtrittsquerschnitt des Mischraumes verkleinert ist. Diese Nase wird an ihrer angeströmten Umlaufkante bevorzugt scharfkantig oder mit minimalem Abrundungsradius ausgeführt, und sie ist in Bezug auf die Austrittsöffnung in axialer Strömungsrichtung so positioniert, dass die Stelle der stärksten Einschnürung der Strömung und somit die Stelle des größten Druckabfalls mit der vorgesehenen Einleitungsstelle für den dampfförmigen Wärmeträger zusammenfällt.
Die Kontaktzone des dampfförmigen Wärmeträgers mit dem flüssigen Produkt lässt sich dadurch günstig ausgestalten und optimieren, wie dies ebenfalls vorgeschlagen wird, dass, bezogen auf die Strömungsrichtung des flüssigen Produkts, die stromabwärtsseitige Begrenzungsfläche der jeweiligen ringspaltförmigen Austrittsöffnung in eine umlaufende Anschrägung am inneren Gehäuse übergeht, wo bei die jeweilige Anschrägung eine größere Neigung gegen die Längsachse des Mischraumes besitzt als die sich an die jeweilige Anschrägung jeweils anschließende Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses. Durch diese umlaufende Anschrägung wird der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers an seiner Einleitungsstelle in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts im Rahmen des strömungsmechanisch Möglichen quasi diffusorartig aufgefächert.
Eine besonders vorteilhafte diesbezügliche Ausführungsform sieht vor, dass der Übergang zwischen der stromabwärtsseitigen Begrenzungsfläche der jeweiligen ringspaltförmigen Austrittsöffnung und der jeweils zugeordneten Anschrägung abgerundet ausgeführt ist, wobei der Abrundungsradius relativ groß bemessen ist.
Die gleichmäßige Verteilung des dampfförmigen Wärmeträgers innerhalb der jeweiligen Ringdüse wird, wie dies eine weitere vorteilhafte Ausführungsform vorsieht, dadurch in besonderer Weise sichergestellt, dass der jeweilige Eintritt der Ringdüse von einem in das innere Gehäuse außenseits radial eingreifenden Verteilerring umschlossen ist, der, über seinen Umfang verteilt, eine Vielzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Ringbohrungen aufweist, die jeweils die Ringdüse mit dem zweiten Beaufschlagungsraum verbinden.
Die gleichmäßige Verteilung des dampfförmigen Wärmeträgers zu den parallel zu versorgenden Ringdüsen wird, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht, dadurch in besonderer Weise erreicht, dass, in Strömungsrichtung des dampfförmigen Wärmeträgers gesehen und vor dessen Eintritt in den zweiten Beaufschlagungsraum, in einem sich an den zweiten Einlass anschließenden konusförmigen Erweiterungsstutzen ein Leitblech mit einer Vielzahl siebförmig angeordneter Verteilerbohrungen vorgesehen ist, das den Durchtrittsquerschnitt des Erweiterungsstutzens fast vollständig ausfüllt. Dabei hat sich eine Ausgestaltung als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei der das Leitblech V-förmig gefaltet ist und die Faltkante in der Ebene des größten Durchmessers des konusförmigen Erweiterungsstutzens verläuft.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Injektors gemäß der Erfindung sieht vor, dass sich der Durchtrittsquerschnitt des ersten Beaufschlagungsraumes in seinem von dem Verdrängerkörper durchdrungenen Erstreckungsbereich, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, fortlaufend verjüngt. Diese Verjüngung ermöglicht zum einen die einfache Volumenänderung des ersten Beaufschlagungsraumes insbesondere im Bereich des Mischraumes und damit eine einfache Leistungsanpassung des Injektors an unterschiedliche flüssige Produkte und/oder Betriebsbedingungen, zum anderen wird dadurch eine über den Druckverlust im in Frage kommenden Strömungsbereich hinausgehende Druckabsenkung generiert, die die Zufuhr des dampfförmigen Wärmeträgers zu den stromabwärts angeordneten Ringdüsen begünstigt. Dadurch wird auch der Tendenz des sich in diesem Bereich durch zwangsläufige Verringerung der treibenden Temperaturdifferenz generell verschlechternden Wärmeübergangs entgegengewirkt.
Die gegenständliche Ausführung des Injektors, insbesondere im Bereich seines ersten Beaufschlagungsraumes und seiner Ringdüsen für den Wärmeträger, wird vereinfacht und ermöglicht eine flexible Anpassung an die unterschiedlichsten Prozessbedingungen, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag das innere Gehäuse aus separaten Gehäuseringen besteht, die, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, aneinandergereiht und über die Verteilerringe im Bereich der jeweiligen Ringdüse axial voneinander beabstandet sind, wobei die jeweilige innere Begrenzungsfläche der Gehäuseringen kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass sich der Verdrängerkörper, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts gesehen, hinter der ersten Ringdüse und näherungsweise parallel zur inneren Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses verjüngt. Dadurch ist eine Volumenänderung des Mischraumes in einem sehr weiten Bereich möglich, da durch die näherungsweise Parallelität der in Frage kommenden Begrenzungsflächen des Mischraumes am einen Ende des Versteilbereichs Ringspalte mit durchgängig sehr kleiner radialer Erstreckung einstellbar sind.
Die axiale Verschiebung des Verdrängerkörpers wird gemäß einem weiteren Vorschlag manuell oder motorisch vorgenommen. Die manuelle Verschiebung erfolgt beispielsweise über ein arretierbares (beispielsweise konterbares) Spindel-Mutter-System. Eine motorische Verschiebung kann beispielsweise über ein motorisch angetriebenes Spindel-Mutter-System erfolgen, wobei der Verstellantrieb beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt basiert auf Verfahrensschritten, wie sie durch die US 1 803 054 A bekannt oder nahegelegt sind. Das bekannte Verfahren offenbart, dass im flüssigen Produkt die Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, die den zum Ansaugen des dampfförmigen Wärmeträgers notwendigen Druckabfall erzeugt. Um die Wärmeübergangs- und die Wärmeeindringbedingungen in das flüssige Produkt zu verbessern, wird der Strom des flüssigen Produkts als zentraler ringförmiger Treibstrahl ausgebildet und dieser erhält einen erzwungenen rindspaltförmigen Strömungsquerschnitt, dessen Erstreckung in radialer Richtung klein gegenüber einer orthogonalen zweiten Richtung ist. Die derart geformte, als Treibstrahl fungierende Strömung des flüssigen Produkts erfährt dadurch vor Eintritt in den Mischraum eine Geschwindigkeitserhöhung, die den zum Ansaugen des dampfförmigen Wärmeträgers notwendigen Druckabfall generiert. Der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers wird im Bereich des Druckabfalls mit einer Strömungskomponente angesaugt, die in radialer Richtung orientiert ist und von der Seite auf das flüssige Produkt auftrifft. Gleichzeitig erhält der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt eine Strömungskomponente in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts. Da die Strömung des flüssigen Produkts in der zweiten Richtung eine um ein Vielfaches größere Erstreckung als in der ersten, der radialen Richtung aufweist, ist weiterhin sichergestellt ist, dass der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt gleichmäßig verteilt zugeführt wird. Darüber hinaus ist auch sichergestellt, dass der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers seinen parallel zu ver sorgenden Einleitungsstellen in das flüssige Produkt im Rahmen des quasi mehrstufigen Verfahrens gleichmäßig verteilt zugeführt wird.
Schließlich bleibt in weiteren Stufen des Verfahrens das durch die vorstehend beschriebene Behandlung erzeugte Gemisch aus flüssigem Produkt und dampfförmigem Wärmeträger unverzweigt und durchläuft stromabwärts wenigstens eine weitere Behandlung in der vorstehend beschriebenen Weise bzw. Schrittfolge. Die Beaufschlagung des Produkts mit der notwendigen Menge an dampfförmigem Wärmeträger wird demnach auf mehr als eine Stelle der Produktströmung aufgeteilt, wobei jede Produktteilmenge diese Mehrfachbehandlung in einem quasi mehrstufigen Verfahren erfährt.
Der grundlegende erfinderische Lösungsgedanke besteht mit Blick auf das vorgeschlagene Verfahren der vorstehend beschriebenen gattungsgemäßen Art darin, dass das flüssige Produkt und der kondensierende dampfförmige Wärmeträger im Mischraum durchmischt werden und diesen mit einer einstellbaren Verweilzeit bei einer moderat ansteigenden Strömungsgeschwindigkeit längs seines Strömungsweges durchströmen. Dabei bleibt die grundlegende Form des Strömungsquerschnittes im Mischraum im Wesentlichen so erhalten, wie sie vor Eintritt in den Mischraum generiert wurde. In einem weiteren Schritt wird der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts quasi diffusorartig aufgefächert Diese Erweiterung des Stromes des dampfförmigen Wärmeträgers vergrößert die Kontaktzone zwischen Produkt und Wärmeträger und verbessert dadurch den Stoff- und damit auch den Wärmeübergang.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel des Injektors gemäß der Erfindung ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
1 eine in 3 mit „X” gekennzeichnete Einzelheit im Bereich der Einleitungsstelle des dampfförmigen Wärmeträgers in das flüssige Produkt;
2 in perspektivischer Darstellung einen in seiner Meridianebene aufgeschnittenen Injektor gemäß der Erfindung und
3 eine Schnittdarstellung des Injektors gemäß 2 (Blickrichtung senkrecht auf die Schnittebene).
BESCHREIBUNG
Ein Injektor 1 (nachfolgend wird jeweils auf die geeignetste der 2 oder 3 Bezug genommen und Lageangaben beziehen sich auf die Darstellungslage des Injektors) wird außenseits von einem rohrförmigen Injektorgehäuse 6 begrenzt, das mit einem zylindrischen Mantelteil 6a ein ringförmiges inneres Gehäuse 7 konzentrisch umschließt, letzteres links- und stirnseitig mit einem Kragenteil 6b teilweise umgreift und rechtsseitig in einem nicht näher bezeichneten Flansch endet, der innenseits im Bereich des rechtsseitigen Endes des inneren Gehäuses 7 gegenüber letzterem über eine dritte Gehäusedichtung 18c radial abgedichtet ist (3). Zwischen der äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuses 7 und dem Mantelteil 6a ist ein äußerer Ringraum 3.3 ausgebildet, der Teil eines zweiten Beaufschlagungsraumes 3 zur Bereitstellung und Verteilung eines dampfförmigen Wärmeträgers D ist. Bei diesem handelt es sich insbesondere um Wasserdampf, vorzugsweise um sog. kulinarischen Wasserdampf im Sättigungszustand (Saftdampf), der dem zweiten Beaufschlagungsraum 3, ausgehend von einem Dampfeintritt D(E), über einen zweiten Einlass 6.4, der innenseits einen vorzugsweise zylindrischen zweiten Eintrittsraum 3.1 ausbildet, und einen sich fluchtend anschließenden vorzugsweise konischen Erweiterungsstutzen 6.5, der innenseits einen entsprechend konisch erweiterten Raum 3.2 ausbildet, zugeführt wird. Die Längsachse des Erweiterungsstutzens 6.5 mündet ein Stück rechts von der Mitte der axialen Länge des zweiten Beaufschlagungsraumes 3 in letzteren ein. Der zweite Beaufschlagungsraum 3 ist an seinem linksseitigen Ende über eine zweite Gehäusedichtung 18b, die zwischen dem Injektorgehäuse 6 und dem inneren Gehäuse 7 axial/radial eingespannt ist, nach außen abgedichtet. Das rechtsseitige Ende des inneren Gehäuses 7 ragt ein Stück über die rechtsseitige Stirnfläche des Flansches am Injektorgehäuse 6 hinaus und ist dort stirnseitig gegen ein Eintrittsgehäuse 6.1 über eine vierte Gehäusedichtung 18d axial abgedichtet. Das Eintrittsgehäuse 6.1 bildet an der Abdichtungsstelle mit dem inneren Gehäuse 7 einen nicht näher bezeichneten Flansch aus, der mit dem korrespondierenden Flansch am Injektorgehäuse 6 verschraubt ist.
In das ringförmige innere Gehäuse 7 greift von rechts ein in axialer Richtung verschieblicher Dorn 5 ein, der in seinem linksseitigen Teil in Form eines überwiegend konusförmigen, zum linksseitigen Ende sich verjüngenden, rotationssymmetrischen Verdrängerkörpers 5.1 ausgebildet ist (2). Zwischen dem Verdrängerkörper 5.1 und dem letzteren umschließenden ringförmigen inneren Gehäuse 7 wird ein ringförmiger Mischraum 2.4 gebildet, der Teil eines ersten Beaufschlagungsraumes 2 für ein flüssiges Produkt P, ist. An den Mischraum 2.4 schließt sich rechtsseitig ein zwischen dem rechtsseitigen Ende des inneren Gehäuses 7 und dem Verdrängerkörper 5.1 gebildeter innerer erster Ringraum 2.3 an, der gleichfalls Teil des ersten Beaufschlagungsraumes 2 ist, sich düsenförmig in Richtung des Mischraumes 2.4 verjüngt und mit einer im Eintrittsgehäuse 6.1 ausgebildeten Eintrittskammer 2.2 unmittelbar verbunden ist. Das Eintrittsgehäuse 6.1 besitzt einen ersten Einlass 6.3 für die Zufuhr des flüssigen Produkts P, der innenseits vorzugsweise einen zylindrischen ersten Eintrittsraum 2.1 ausbildet, wobei letzterer mit der Eintrittskammer 2.2 unmittelbar verbunden ist. Ein Produkteintritt P(E) in den ersten Beaufschlagungsraum 2 erfolgt somit am ersten Einlass 6.3 und das flüssige Produkt P gelangt anschließend über den Eintrittsraum 2.1, die sich anschließende Eintrittskammer 2.2, den düsenartig verjüngten inneren ersten Ringraum 2.3 in den ringförmigen Mischraum 2.4, um diesen über einen vorzugsweise zylindrisch ausgeführten Austrittsraum 2.5, der in einem sich linksseitig an das Kragenteil 6b anschließenden Auslass 6.6 ausgebildet ist, zu verlassen. An den Auslass 6.6 schließt sich eine Rohrerweiterung 6.7 an, über die ein Produktaustritt P(A) in eine abführende Rohrleitung einer nachgeordneten Prozessanlage erfolgt.
Ein am Auslass 6.6 ausgebildeter, nicht näher bezeichneter Flansch ist mit dem Kragenteil 6b verschraubt und dieser Flansch ist gegen eine korrespondierende stirnseitigen Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses 7 über eine erste Gehäusedichtung 18a axial abgedichtet. Der Kragenteil 6b ist somit zwischen dem Flansch am Auslass 6.6 und dem innerem Gehäuse 7 sowohl axial als auch radial formschlüssig festgelegt und die gesamte Aggregation, bestehend aus den Teilen 6, 6.6 mit 6.7, 7 und 6.1 mit 6.3, wird durch die Schraubverbindung zwischen dem Flansch am Injektorgehäuse 6 und dem Flansch am Eintrittsgehäuse 6.1 zusammengehalten, in sich verspannt und an den erwähnten Abdichtungsstellen 18a bis 18d nach außen gedichtet.
Eine erste Spannbuchse 16 greift von rechts in die Bohrung im Flansch am Injektorgehäuse 6 ein, kontaktiert an ihrem dortigen Ende die dritte Gehäusedichtung 18c und umfasst mit einem Bund den Flansch am Injektorgehäuse 6. Die erste Spannbuchse 16 ist innenseits mit einer zweiten Spannbuchse 17 verschraubt, wobei letztere an ihrem rechtsseitigen Ende mit einem nicht bezeichneten Kragen in eine nicht bezeichnete nutförmige Ausnehmung zwischen der Stirnfläche des inneren Gehäuses 7 und dem Flansch am Eintrittsgehäuse 6.1 radial nach innen formschlüssig eingreift. Mit dieser Spannbuchsenanordnung 16/17 lassen sich im Zusammenwirken mit der Verschraubung zwischen dem Flansch am Injektorgehäuse 6 und dem Flansch am Eintrittsgehäuse 6.1 der Anpressdruck der Gehäusedichtungen 18a, 18b und 18c sowie der axiale Anpressdruck zwischen den nachstehend noch beschriebenen Gehäuseringen, aus denen das innere Gehäuse 7 zweckmäßig zusammengesetzt ist, einstellen. Darüber hinaus zentriert der Kragen an der zweiten Spannbuchse 17 das Eintrittsgehäuse 6.1 gegenüber dem inneren Gehäuse 7, wobei das Eintrittsgehäuse 6.1 unter Einschluss der vierten Gehäusedichtung 18d metallisch am inneren Gehäuse 7 anliegt.
Der erste Beaufschlagungsraum 2 findet am rechtsseitigen Ende des Eintrittsgehäuses 6.1 seinen Abschluss über einen Deckel 6.2, der über eine fünfte Gehäusedichtung 18e in einer Öffnung im Eintrittsgehäuse 6.1 abgedichtet und dort über einen nicht näher bezeichneten Klemmflansch an einem Laternengehäuse 10 mittels eines ersten Spannringes 14 form- und kraftschlüssig festgelegt ist. In den Verdrängerkörper 5.1 ist rechtsseitig eine Verstellstange 5.2 eingeschraubt, die an der Verschraubungsstelle mittels einer Dichtung 21 gegen den Verdrängerkörper 5.1 abgedichtet ist. Die Verstellstange 5.2 besteht in ihrem linksseitigen Teil aus einer durchmessergrößeren Führungsstange 5.2a und in ihrem rechtsseitigen Teil aus einer durchmesserkleineren Befestigungsstange 5.2b (2). Die Führungsstange 5.2a durchdringt den Deckel 6.2 und den Flansch am Laternengehäuse 10 über eine Stangendichtung 19 und einen sich anschließenden Führungsring 20. An das Laternengehäuse 10 ist rechtsseitig ein Bügelteil 11 angeflanscht, wobei diese Verbindung mit einem zweiten Spannring 15 ähnlich jener zwischen Deckel 6.2 und Laternengehäuse 10 ausgebildet ist. Die mit einem Bolzengewinde versehene Befestigungsstange 5.2b durchdringt eine endseitige Abkröpfung des Bügelteils 11, sodass die Befestigungsstange 5.2b und somit der gesamte Dorn 5 mittels jeweils einer auf jeder Seite der Abkröpfung auf dem Bolzengewinde aufgeschraubten Verstellmutter 12 in axialer Richtung festgelegt werden kann. Durch diese Anordnung ist der Dorn 5 in die notwendige axiale Lage im Mischraum 2.4 zu verschieben und schließlich unverrückbar festzulegen.
Alternativ ist auch eine motorische Verstellung des Dorns 5 vorgesehen, beispielsweise über einen elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigten Verstellantrieb 13, der ein an der Verstellstange 5.2 bzw. der Befestigungsstange 5.2b angreifendes geeignetes Spindel-Mutter-System antreibt.
Im ringförmigen inneren Gehäuse 7 ist eine erste Ringdüse 4.1 ausgebildet, die radial außenseits mit dem äußeren Ringraum 3.3 des zweiten Beaufschlagungsraumes 3 verbunden ist und die radial innenseits über eine ringspaltförmige erste Austrittsöffnung 4.1a in den Mischraum 2.4 ausmündet (1). Über diese erste Ringdüse 4.1 wird der dampfförmige Wärmeträger D, von dem Dampfeintritt D(E) kommend, von dem aus dem düsenartig ausgebildeten inneren ersten Ringraum 2.3 austretenden, als Treibstrahl fungierenden Strom des flüssigen Produkts P, das über den Produkteintritt P(E) herangeführt wird, angesaugt. Die Ansaugung wird durch einen Druckabfall im flüssigen Produkt P erzeugt, der durch Geschwindigkeitserhöhung im Durchtrittsquerschnitt des Mischraumes 2.4 im Bereich der ringspaltförmigen ersten Austrittsöffnung 4.1a generiert wird. Der düsenartig aus gebildete innere erste Ringraum 2.3 erzeugt im Bereich der ringspaltförmigen ersten Austrittsöffnung 4.1a generell eine diesbezügliche Geschwindigkeitserhöhung, die durch eine besondere Maßnahme im Austrittsende des inneren ersten Ringraums 2.3 deutlich verstärkt wird. Diese Maßnahme besteht darin, dass am inneren Gehäuse 7 bzw. 7.1, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, unmittelbar vor der ringspaltförmigen ersten Austrittsöffnung 4.1a eine ringförmige erste Nase 7.1a ausgebildet ist, die dort einen ersten Durchtrittsquerschnitt A₁ radial außenseits derart einschnürt, dass dieser, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, gegenüber dem vorgeordneten Durchtrittsquerschnitt des inneren Ringraumes 2.3 verkleinert ist.
Die ringspaltförmige erste Austrittsöffnung 4.1a mündet unter einem Neigungswinkel α in den Mischraum 2.4 ein, wobei für den Neigungswinkel α ein Wert im Bereich 30 bis 45 Grad, bevorzugt ein Wert von 35 Grad vorgesehen ist, der Neigungswinkel α gegen die Senkrechte auf die Längsachse des Mischraumes 2.4 gemessen wird und eine axiale Komponente des Neigungswinkels α in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P orientiert ist.
Bezogen auf die Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P geht die stromabwärtsseitige Begrenzungsfläche der ringspaltförmigen ersten Austrittsöffnung 4.1a in eine umlaufende erste Anschrägung 7.2b am inneren Gehäuse 7 über, wobei die umlaufende erste Anschrägung 7.2b stärker gegen die Längsachse des Mischraumes 2.4 geneigt ist als die sich anschließende Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses 7. Der Übergang zwischen der stromabwärtsseitigen Begrenzungsfläche der ringspaltförmigen ersten Austrittsöffnung 4.1 und der zugeordneten umlaufenden ersten Anschrägung 7.2b ist mit einem relativ großen Radius abgerundet.
Die in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors 1 weist, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, hinter der ersten Ringdüse 4.1 zwei weitere Ringdüsen 4.2 und 4.3 auf, die dampfförmigen Wärmeträger D aus dem äußeren Ringraum 3.3 des zweiten Beaufschlagungsraumes 3 in den unverzweigt bleiben den Strom des flüssigen Produkts P jeweils unter dem Neigungswinkel α einbringen. Das Umfeld der zweiten Ringdüse 4.2 und der dritten Ringdüse 4.3 ist jeweils identisch zur ersten Ringdüse 4.1 ausgebildet. Dies bezieht sich auf eine ringspaltförmige zweite Austrittsöffnung 4.2a, eine ringförmige zweite Nase 7.2a sowie eine umlaufende zweite Anschrägung 7.3b im Zusammenhang mit der zweiten Ringdüse 4.2 und auf eine ringspaltförmige dritte Austrittsöffnung 4.3a, eine ringförmige dritte Nase 7.3a sowie eine umlaufende dritte Anschrägung 7.4b im Zusammenhang mit der dritten Ringdüse 4.3 (1 bis 3). Die ringförmige zweite Nase 7.2a bildet dabei unmittelbar vor Eintritt in den Mischraum 2.4 einen zweiten Durchtrittsquerschnitt A₂ und die ringförmige dritte Nase 7.3a bildet einen entsprechenden dritten Durchtrittsquerschnitt A₃ aus, der jeweils an der jeweiligen Stelle den Mischraum 2.4 derart einschnürt, dass dieser, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, gegenüber dem jeweils vorgeordneten Durchtrittsquerschnitt des Mischraumes 2.4 verkleinert ist.
Das ringförmige innere Gehäuse 7 (2) besteht aus separaten Gehäuseringen 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, die, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, aneinandergereiht und über jeweils einen Verteilerring 9 im Bereich der jeweiligen Ringdüse 4.1, 4.2, 4.3 axial voneinander beabstandet sind, wobei die jeweilige innere Begrenzungsfläche der Gehäuseringe 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Die jeweilige axiale Beabstandung der Gehäuseringe 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 erzeugt jeweils einen umlaufenden Ringspalt, der die jeweilige Ringdüse 4.1, 4.2, 4.3 bildet.
Im ersten Gehäusering 7.1 ist im Zusammenwirken mit einem vorzugsweise zylindrisch ausgeführten Abschnitt des Verdrängerkörpers 5.1 der düsenförmige innere erste Ringraum 2.3 ausgebildet, während der zweite Gehäusering 7.2, der dritte Gehäusering 7.3 und der vierte Gehäusering 7.4, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen und jeweils im Zusammenwirken mit dem sich hinter der ersten Ringdüse 4.1 und näherungsweise parallel zur inneren kegelstumpfförmigen Begrenzungsfläche des jeweils zugeordneten Gehäuserings 7.2 bis 7.3 verjüngenden Verdrängerkörpers 5.1, innenseits einen inneren zweiten Ringraum 2.4.1 bzw. einen inneren dritten Ringraum 2.4.2 bzw. eine Austrittskammer 2.4.3 ausbilden, die zusammen den Mischraum 2.4 bilden. Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des ersten Beaufschlagungsraumes 2 in seinem von dem Verdrängerkörper 5.1 durchdrungenen Erstreckungsbereich verjüngt sich, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts P gesehen, dieser Bereich fortlaufend.
Der jeweilige Eintritt der Ringdüse 4.1, 4.2, 4.3 ist von dem in das innere Gehäuse 7 außenseits radial eingreifenden Verteilerring 9 umschlossen, der, über seinen Umfang verteilt, eine Vielzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Ringbohrungen 9a aufweist, die jeweils die Ringdüse 4.1, 4.2, 4.3 mit dem zweiten Beaufschlagungsraum 3 verbinden. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des dampfförmigen Wärmeträgers D innerhalb der jeweils zugeordneten Ringdüse erreicht.
Um eine gleichmäßige Verteilung des dampfförmigen Wärmeträgers D vom äußeren Ringraum 3.3 des zweiten Beaufschlagungsraumes 3 auf die parallel angeschlossenen Ringdüsen 4.1, 4.2 und 4.3 sicherzustellen, ist, in Strömungsrichtung des dampfförmigen Wärmeträgers D gesehen und vor dessen Eintritt in den zweiten Beaufschlagungsraum 3, in dem sich an den zweiten Einlass 6.4 anschließenden konusförmigen Erweiterungsstutzen 6.5 ein Leitblech 8 mit einer Vielzahl siebförmig angeordneter Verteilerbohrungen 8a vorgesehen ist, das den Durchtrittsquerschnitt des Erweiterungsstutzens 6.5 fast vollständig ausfüllt. Das Leitblech 8 ist dabei V-förmig gefaltet und die Faltkante verläuft in der Ebene des größten Durchmessers des konusförmigen Erweiterungsstutzens 6.5.
Das Verfahren zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers D in ein flüssiges Produkt P, insbesondere in ein Nahrungsmittel oder Getränk, bei dem der dampfförmige Wärmeträger D das flüssige Produkt P zur Bildung eines keimfreien Produkts erhitzt und bei dem das Strömen des dampfförmigen Wärmeträgers D durch Druckabfall hervorgerufen wird, der durch die Geschwindigkeit des flüssigen Produkts P entsteht, ist insgesamt gekennzeichnet durch folgende durchzuführende Schritte (a) bis (i):

(a) der Strom des flüssigen Produkts P erhält vor dem Einleiten in einen Mischraum 2.4 mit einstellbarem Volumen einen erzwungenen ringspaltförmigen Strömungsquerschnitt, dessen Erstreckung quer zur Strömungsrichtung des Produkts P in einer ersten Richtung klein gegenüber einer orthogonalen zweiten Richtung ist;
(b) im Strom des Produkts P wird vor Eintritt in den Mischraum 2.4 die den Druckabfall erzeugende Geschwindigkeit erzeugt;
(c) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers D wird im Bereich des Druckabfalls mit einer Strömungskomponente angesaugt, die in radialer Richtung orientiert ist und von einer Seite auf das flüssige Produkt P auftrifft;
(d) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) erhält im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) eine Strömungskomponente in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts (P);
(e) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) wird seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) gleichmäßig verteilt zugeführt;
(f) der Strom des Wärmeträgers (D) wird seinen parallel zu versorgenden Einleitungsstellen in das Produkt (P) gleichmäßig verteilt zugeführt;
(g) das erzeugte Gemisch aus flüssigem Produkt (P) und dampfförmigem Wärmeträger (D) bleibt unverzweigt und durchläuft stromabwärts wenigstens eine weitere Schrittfolge (a) bis (f);
(h) das flüssige Produkt (P) und der kondensierende Wärmeträger (D) werden im Mischraum (2.4) durchmischt und durchströmen diesen mit einer einstellbaren Verweilzeit bei ansteigender Strömungsgeschwindigkeit längs ihres Strömungsweges, wobei die Form des Strömungsquerschnitts im Mischraum (2.4) im Wesentlichen gemäß Schritt (a) beibehalten wird;
(i) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) wird im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts (P) diffusorartig aufgefächert.

1: Injektor
2: erster Beaufschlagungsraum (Produkt)
2.1: zylindrischer erster Eintrittsraum
2.2: Eintrittskammer
2.3: innerer erster Ringraum
2.4: Mischraum
2.4.1: innerer zweiter Ringraum
2.4.2: innerer dritter Ringraum
2.4.3: Austrittskammer
2.5: zylindrischer Austrittsraum
3: zweiter Beaufschlagungsraum (Wasserdampf)
3.1: zylindrischer zweiter Eintrittsraum
3.2: konisch erweiterter Raum
3.3: äußerer Ringraum
4.1: erste Ringdüse
4.2: zweite Ringdüse
4.3: dritte Ringdüse
4.1a: ringspaltförmige erste Austrittsöffnung
4.2a: ringspaltförmige zweite Austrittsöffnung
4.3a: ringspaltförmige dritte Austrittsöffnung
5: Dorn
5.1: Verdrängerkörper
5.2: Verstellstange
5.2a: Führungsstange
5.2b: Befestigungsstange
6: Injektorgehäuse
6a: Mantelteil
6b: Kragenteil
6.1: Eintrittsgehäuse
6.2: Deckel
6.3: erster Einlass
6.4: zweiter Einlass
6.5: Erweiterungsstutzen
6.6: Auslass
6.7: Rohrerweiterung
7: inneres Gehäuse
7.1: erster Gehäusering
7.2: zweiter Gehäusering
7.3: dritter Gehäusering
7.4: vierter Gehäusering
7.1a: ringförmige erste Nase
7.2a: ringförmige zweite Nase
7.3a: ringförmige dritte Nase
7.2b: umlaufende erste Anschrägung
7.3b: umlaufende zweite Anschrägung
7.4b: umlaufende dritte Anschrägung
8: Leitblech
8a: Verteilerbohrung
9: Verteilerring
9a: Ringbohrung
10: Laternengehäuse
11: Bügelteil
12: Verstellmutter
13: Verstellantrieb
14: erster Spannring
15: zweiter Spannring
16: erste Spannbuchse
17: zweite Spannbuchse
18a: erste Gehäusedichtung
18b: zweite Gehäusedichtung
18c: dritte Gehäusedichtung
18d: vierte Gehäusedichtung
18e: fünfte Gehäusedichtung
19: Stangendichtung
20: Führungsring
21: Dichtung
A₁: erster Durchtrittsquerschnitt
A₂: zweiter Durchtrittsquerschnitt
A₃: dritter Durchtrittsquerschnitt
D: dampfförmiger Wärmeträger (Wasserdampf; kulinarischer Sattdampf)
D(E): Dampfeintritt
P: flüssiges Produkt
P(E): Produkteintritt
P(A): Produktaustritt
α: Neigungswinkel

Claims

Injektor zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt, insbesondere ein Nahrungsmittel oder Getränk, bei dem der dampfförmige Wärmeträger (D) das flüssige Produkt (P) zur Bildung eines keimfreien Produkts erhitzt und bei dem das Strömen des dampfförmigen Wärmeträgers (D) durch Druckabfall hervorgerufen wird, der durch die Geschwindigkeit des flüssigen Produkts (P) entsteht, mit einem Injektorgehäuse (6), das einen ersten Einlass (6.3) für das flüssige Produkt (P) und einen zweiten Einlass (6.4) für den dampfförmigen Wärmeträger (D) aufweist, mit einem im Injektorgehäuse (6) einen Auslass (6.6) aufweisenden ersten Beaufschlagungsraum (2), der eintrittsseitig düsenförmig ausgebildet und mit dem ersten Einlass (6.3) verbunden ist, mit einem ringförmigen Mischraum (2.4), der Teil des ersten Beaufschlagungsraumes (2) ist und der zwischen einem rotationssymmetrischen, in axialer Richtung verschieblichen Verdrängerkörper (5.1) einerseits und einem letzteren umschließenden ringförmigen inneren Gehäuse (7) andererseits gebildet wird, und mit einem zwischen dem inneren Gehäuse (7) und dem dieses umschließenden Injektorgehäuse (6) gebildeten ringförmigen zweiten Beaufschlagungsraum (3), der mit dem zweiten Einlass (6.4) verbunden ist, mit mehr als einer Ringdüse (4.1, 4.2, 4.3,...), die, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, im Abstand hintereinander angeordnet, jeweils vom dampfförmigen Wärmeträger (D) beaufschlagbar, im oder am inneren Gehäuse (7) ausgebildet und mit dem zweiten Beaufschlagungsraum (3) verbunden sind und die jeweils über eine ringspaltförmige Austrittsöffnung (4.1a, 4.2a, 4.3a,...) von der Seite des umschließenden inneren Gehäuses (7) unter einem Neigungswinkel (α) gleichsinnig zur Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) in den Mischraum (2.4) einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Gehäuse (7), in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, unmittelbar vor der jeweiligen Austrittsöffnung (4.1a, 4.2a, 4.3a,...) jeweils eine ringförmige Nase (7.1a, 7.2a, 7.3a,...) ausgebildet ist, die an der jeweiligen Stelle einen Durchtrittsquerschnitt (A₁, A₂, A₃,...) des Mischraumes (2.4) radial außenseits derart einschnürt, dass dieser, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, gegenüber dem jeweils vorgeordneten Durchtrittsquerschnitt des Mischraumes (2.4) verkleinert ist, und dass die stromabwärtsseitige Begrenzungsfläche der jeweiligen ringspaltförmigen Austrittsöffnung (4.1a, 4.2a, 4.3a,...) in eine umlaufende Anschrägung (7.2b, 7.3b, 7.4b,...) am inneren Gehäuse (7) übergeht, wobei die jeweilige Anschrägung (7.2a, 7.3a, 7.4a,...) eine größere Neigung gegen die Längsachse des Mischraumes (2.4) besitzt als die sich an die jeweilige Anschrägung jeweils anschließende Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses (7).
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) gegen die Senkrechte auf die Längsachse des Mischraumes (2.4) gemessen wird, und dass für den Neigungswinkel (α) ein Wert im Bereich 30 bis 45 Grad, bevorzugt ein Wert von 35 Grad vorgesehen ist.
Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der stromabwärtsseitigen Begrenzungsfläche der jeweiligen ringspaltförmigen Austrittsöffnung (4.1a, 4.2a, 7.3a,...) und der jeweils zugeordneten umlaufenden Anschrägung (7.2a, 7.3a, 7.4a,...) abgerundet ausgeführt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Eintritt der Ringdüse (4.1, 4.2, 4.3,...) von einem in das innere Gehäuse (7) außenseits radial eingreifenden Verteilerring (9) umschlossen ist, der, über seinen Umfang verteilt, eine Vielzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Ringbohrungen (9a) aufweist, die jeweils die Ringdüse (4.1, 4.2, 4.3,...) mit dem zweiten Beaufschlagungsraum (3) verbinden.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, in Strömungsrichtung des dampfförmigen Wärmeträgers (D) gesehen und vor dessen Eintritt in den zweiten Beaufschlagungsraum (3), in einem sich an den zweiten Einlass (6.4) anschließenden konusförmigen Erweiterungsstutzen (6.5) ein Leitblech (8) mit einer Vielzahl siebförmig angeordneter Verteilerbohrungen (8a) vorgesehen ist, das den Durchtrittsquerschnitt des Erweiterungsstutzens (6.5) fast vollständig ausfüllt.
Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (8) V-förmig gefaltet ist und die Faltkante in der Ebene des größten Durchmessers des konusförmigen Erweiterungsstutzens (6.5) verläuft.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchtrittsquerschnitt des ersten Beaufschlagungsraumes (2) in seinem von dem Verdrängerkörper (5.1) durchdrungenen Erstreckungsbereich, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, fortlaufend verjüngt.
Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Gehäuse (7) aus separaten Gehäuseringen (7.1, 7.2, 7.3, 7.4,...) besteht, die, in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, aneinandergereiht und über die Verteilerringe (9) im Bereich der jeweiligen Ringdüse (4.1, 4.2, 4.3,...) axial voneinander beabstandet sind, wobei die jeweilige innere Begrenzungsfläche der Gehäuseringe (7.1, 7.2, 7.3, 7.4, ...) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verdrängerkörper (5.1), in Strömungsrichtung des flüssigen Produkts (P) gesehen, hinter der ersten Ringdüse (4.1) und näherungsweise parallel zur inneren Begrenzungsfläche des inneren Gehäuses (7) verjüngt.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (5.1) manuell oder motorisch verschoben wird.
Verfahren zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträgers in ein flüssiges Produkt, insbesondere in ein Nahrungsmittel oder Getränk, bei dem der dampfförmige Wärmeträger (D) das flüssige Produkt (P) zur Bildung eines keimfreien Produkts erhitzt und bei dem das Strömen des dampfförmigen Wärmeträgers (D) durch Druckabfall hervorgerufen wird, der durch die Geschwindigkeit des flüssigen Produkts (P) entsteht, wobei • in einer ersten Stufe des Verfahrens folgende Schritte (a) bis (f) durchgeführt werden: (a) der Strom des flüssigen Produkts (P) erhält vor dem Einleiten in einen Mischraum (2.4) mit einstellbarem Volumen einen erzwungenen ringspaltförmigen Strömungsquerschnitt, dessen Erstreckung in radialer Richtung klein gegenüber einer orthogonalen zweiten Richtung ist; (b) im Strom des flüssigen Produkts (P) wird vor Eintritt in den Mischraum (2.4) die den Druckabfall erzeugende Geschwindigkeit erzeugt; (c) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) wird im Bereich des Druckabfalls mit einer Strömungskomponente angesaugt, die in radialer Richtung orientiert ist und von einer Seite auf das flüssige Produkt (P) auftrifft; (d) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) erhält im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) eine Strömungskomponente in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts (P); (e) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) wird seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) gleichmäßig verteilt zugeführt; (f) der Strom des Wärmeträgers (D) wird seinen parallel zu versorgenden Einleitungsstellen in das Produkt (P) gleichmäßig verteilt zugeführt, • und wobei in weiteren Stufen des Verfahrens (g) das erzeugte Gemisch aus flüssigem Produkt (P) und dampfförmigem Wärmeträger (D) unverzweigt bleibt und stromabwärts wenigstens eine weitere Schrittfolge (a) bis (f) durchläuft, gekennzeichnet durch folgende durchzuführenden Schritte (h) und (i): (h) das flüssige Produkt (P) und der kondensierende Wärmeträger (D) werden im Mischraum (2.4) durchmischt und durchströmen diesen mit einer einstellbaren Verweilzeit bei ansteigender Strömungsgeschwindigkeit längs ihres Strömungsweges, wobei die Form des Strömungsquerschnitts im Mischraum (2.4) im Wesentlichen gemäß Schritt (a) beibehalten wird; (i) der Strom des dampfförmigen Wärmeträgers (D) wird im Bereich des Druckabfalls an seiner Einleitungsstelle in das flüssige Produkt (P) in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Produkts (P) diffusorartig aufgefächert.